攻克python3-协程

协程

协程是线程的更小切分，又称为“微线程”，是一种用户态的轻量级线程。

与进程的区别：

相同点：

相同点存在于，当我们挂起一个执行流的时，我们要保存的东西：

• 栈， 其实在你切换前你的局部变量，以及要函数的调用都需要保存，否则都无法恢复
• 寄存器状态,这个其实用于当你的执行流恢复后要做什么

而寄存器和栈的结合就可以理解为上下文，上下文切换的理解：
CPU看上去像是在并发的执行多个进程，这是通过处理器在进程之间切换来实现的，操作系统实现这种交错执行的机制称为上下文切换

操作系统保持跟踪进程运行所需的所有状态信息。这种状态，就是上下文。
在任何一个时刻，操作系统都只能执行一个进程代码，当操作系统决定把控制权从当前进程转移到某个新进程时，就会进行上下文切换，即保存当前进程的上下文，恢复新进程的上下文，然后将控制权传递到新进程，新进程就会从它上次停止的地方开始。

不同点：

• 执行流的调度者不同，进程是内核调度，而协程是在用户态调度，也就是说进程的上下文是在内核态保存恢复的，而协程是在用户态保存恢复的，很显然用户态的代价更低
• 进程会被强占，而协程不会，也就是说协程如果不主动让出CPU，那么其他的协程，就没有执行的机会。
• 对内存的占用不同，实际上协程可以只需要4K的栈就足够了，而进程占用的内存要大的多
• 从操作系统的角度讲，多协程的程序是单进程，单协程

与线程的区别：

既然我们上面也说了，协程也被称为微线程，下面对比一下协程和线程：

• 线程之间需要上下文切换成本相对协程来说是比较高的，尤其在开启线程较多时，但协程的切换成本非常低。
• 同样的线程的切换更多的是靠操作系统来控制，而协程的执行由我们自己控制。

　　协程只是在单一的线程里不同的协程之间切换，其实和线程很像，线程是在一个进程下，不同的线程之间做切换，这也可能是协程称为微线程的原因吧。

协程的优缺点

协程的优点：

　　（1）无需线程上下文切换的开销，协程避免了无意义的调度，由此可以提高性能（但也因此，程序员必须自己承担调度的责任，同时，协程也失去了标准线程使用多CPU的能力）

　　（2）无需原子操作锁定及同步的开销

　　（3）方便切换控制流，简化编程模型

　　（4）高并发+高扩展性+低成本：一个CPU支持上万的协程都不是问题。所以很适合用于高并发处理。

协程的缺点：

　　（1）无法利用多核资源：协程的本质是个单线程,它不能同时将 单个CPU 的多个核用上,协程需要和进程配合才能运行在多CPU上.当然我们日常所编写的绝大部分应用都没有这个必要，除非是cpu密集型应用。

　　（2）进行阻塞（Blocking）操作（如IO时）会阻塞掉整个程序

在python中实现协程

yield实现协程

import time
def consumer(name):             #生成器
    print("%s要开始吃包子了！"%(name))
    while True:
        baozi=yield         #暂停，记录位置，返回跳出
        print("包子%s,%s吃了"%(baozi,name))

def producer(name):
    c=consumer("a")#只是变成一个生成器
    c.__next__()                #next 只唤醒yiedl不传递值
    for i in range(4):
        time.sleep(1)
        print("%s做了1个包子"%(name))
        c.send(i)               #唤醒yiedl并传递值

producer("phk")

greenlet实现协程

Python的 greenlet就相当于手动切换(.switch)，去执行别的子程序，在“别的子程序”中又主动切换回来。。。

from greenlet import greenlet
def test1():
    print(12)
    gr2.switch()
    print(34)
    gr2.switch()
def test2():
    print(56)
    gr1.switch()#切换
    print(78)

gr1 = greenlet(test1) #启动一个携程
gr2 = greenlet(test2)
gr1.switch()

 gevent 实现协程

import gevent

def foo():
    print('Running in foo')
    gevent.sleep(2)
    print('Explicit context switch to foo again')
def bar():
    print('Explicit精确的 context内容 to bar')
    gevent.sleep(1)#假设遇到io 切换
    print('Implicit context switch back to bar')
def func3():
    print("running func3 ")
    gevent.sleep(3)
    print("running func3  again ")


gevent.joinall([
    gevent.spawn(foo), #生成，
    gevent.spawn(bar),
    gevent.spawn(func3),
])

同步与异步性能区别：

def task(pid):
    """
    Some non-deterministic task
    """
    gevent.sleep(0.5)
    print('Task %s done' % pid)
 
def synchronous():
    for i in range(1,10):
        task(i)
 
def asynchronous():
    threads = [gevent.spawn(task, i) for i in range(10)]
    gevent.joinall(threads)
 
print('Synchronous:')
synchronous()
 
print('Asynchronous:')
asynchronous()

上面程序的重要部分是将task函数封装到greenlet内部线程的gevent.spawn。 初始化的greenlet列表存放在数组threads中，此数组被传给gevent.joinall 函数，后者阻塞当前流程，并执行所有给定的greenlet。执行流程只会在 所有greenlet执行完后才会继续向下走。

猴子补丁 Monkey patching

这个补丁是Gevent模块最需要注意的问题，有了它，才会让Gevent模块发挥它的作用。我们往往使用Gevent是为了实现网络通信的高并发，但是，Gevent直接修改标准库里面大部分的阻塞式系统调用，包括socket、ssl、threading和 select等模块，而变为协作式运行。但是我们无法保证你在复杂的生产环境中有哪些地方使用这些标准库会由于打了补丁而出现奇怪的问题。

一种方法是使用gevent下的socket模块，我们可以通过”from gevent import socket”来导入。不过更常用的方法是使用猴子布丁（Monkey patching）。使用猴子补丁褒贬不一，但是官网上还是建议使用”patch_all()”，而且在程序的第一行就执行。 

from gevent import monkey; monkey.patch_socket()
import gevent
import socket
  
urls = ['www.baidu.com', 'www.gevent.org', 'www.python.org']
jobs = [gevent.spawn(socket.gethostbyname, url) for url in urls]
gevent.joinall(jobs, timeout=5)
  
print (jobs)

上述代码的第一行就是对socket标准库打上猴子补丁，此后socket标准库中的类和方法都会被替换成非阻塞式的，所有其他的代码都不用修改，这样协程的效率就真正体现出来了。Python中其它标准库也存在阻塞的情况，gevent提供了”monkey.patch_all()”方法将所有标准库都替换。

协程间的通信

事件（Event）对象 

greenlet协程间的异步通讯可以使用事件（Event）对象。该对象的”wait()”方法可以阻塞当前协程，而”set()”方法可以唤醒之前阻塞的协程。在下面的例子中，5个waiter协程都会等待事件evt，当setter协程在3秒后设置evt事件，所有的waiter协程即被唤醒。

import gevent
from gevent.event import Event

evt = Event()


def setter():
    print('Wait for me')
    gevent.sleep(3)  # 3秒后唤醒所有在evt上等待的协程
    print("Ok, I'm done")
    evt.set()  # 唤醒


def waiter():
    print("I'll wait for you")
    evt.wait()  # 等待
    print('Finish waiting')


gevent.joinall([
    gevent.spawn(setter),
    gevent.spawn(waiter),
    gevent.spawn(waiter),
    gevent.spawn(waiter),
    gevent.spawn(waiter),
    gevent.spawn(waiter)
])

AsyncResult事件

除了Event事件外，gevent还提供了AsyncResult事件，它可以在唤醒时传递消息。让我们将上例中的setter和waiter作如下改动:

from gevent.event import AsyncResult
aevt = AsyncResult()
  
def setter():
    print 'Wait for me'
    gevent.sleep(3)  # 3秒后唤醒所有在evt上等待的协程
    print "Ok, I'm done"
    aevt.set('Hello!')  # 唤醒，并传递消息
  
def waiter():
    print("I'll wait for you")
    message = aevt.get()  # 等待，并在唤醒时获取消息
    print 'Got wake up message: %s' % message

队列 Queue

队列Queue的概念相信大家都知道，我们可以用它的put和get方法来存取队列中的元素。gevent的队列对象可以让greenlet协程之间安全的访问。运行下面的程序，你会看到3个消费者会分别消费队列中的产品，且消费过的产品不会被另一个消费者再取到：

import gevent
from gevent.queue import Queue

products = Queue()


def consumer(name):
    # while not products.empty():
    while True:
        try:
            print('%s got product %s' % (name, products.get_nowait()))
            gevent.sleep(0)
        except gevent.queue.Empty:
            break

    print('Quit')


def producer():
    for i in range(1, 10):
        products.put(i)


gevent.joinall([
    gevent.spawn(producer),
    gevent.spawn(consumer, 'steve'),
    gevent.spawn(consumer, 'john'),
    gevent.spawn(consumer, 'nancy'),
])

 注意：协程队列跟线程队列是一样的，put和get方法都是阻塞式的，它们都有非阻塞的版本：put_nowait和get_nowait。如果调用get方法时队列为空，则是不会抛出”gevent.queue.Empty”异常。我们只能使用get_nowait()的方式让气抛出异常。

信号量

信号量可以用来限制协程并发的个数。它有两个方法，acquire和release。顾名思义，acquire就是获取信号量，而release就是释放。当所有信号量都已被获取，那剩余的协程就只能等待任一协程释放信号量后才能得以运行：

import gevent
from gevent.lock import BoundedSemaphore

sem = BoundedSemaphore(2)


def worker(n):
    sem.acquire()
    print('Worker %i acquired semaphore' % n)
    gevent.sleep(1)
    sem.release()
    print('Worker %i released semaphore' % n)


gevent.joinall([gevent.spawn(worker, i) for i in range(0, 6)])

上面的例子中，我们初始化了”BoundedSemaphore”信号量，并将其个数定为2。所以同一个时间，只能有两个worker协程被调度。程序运行后的结果如下：

多并发的socket

import gevent
from gevent import  monkey
from gevent import socket
# import socket #两种import方法都可以

monkey.patch_all()

def server(port):
    s = socket.socket()
    s.bind(('localhost', port))
    s.listen(500)
    while True:
        cli, addr = s.accept()
        gevent.spawn(handle_request, cli)


def handle_request(conn):
    try:
        while True:
            data = conn.recv(1024)
            print("recv:", data)
            conn.send(data)
            if not data:
                conn.shutdown(socket.SHUT_WR)

    except Exception as  ex:
        print(ex)
    finally:
        conn.close()


if __name__ == '__main__':
    server(9999)

import socket

HOST = 'localhost'  # The remote host
PORT = 9999  # The same port as used by the server
s = socket.socket()
s.connect((HOST, PORT))
while True:
    msg = bytes(input(">>:"), encoding="utf8")
    s.sendall(msg)
    data = s.recv(1024)
    print('Received', data)
    s.send(b"200")
s.close()